從驅(qū)動方式再談LED頻閃消除技術(shù)

林 為，胡昌吉

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137）

0 引 言

電光源的頻閃源自電源的波動。采用交流電源的傳統(tǒng)光源如白熾燈、HID、日光燈等，直接使用市電驅(qū)動，每個周期存在兩個最大值，因此閃爍的頻率是100 Hz（對50 Hz市電而言）或120 Hz（60 Hz市電）[1]。

LED和其他電光源一樣存在頻閃，但是LED多數(shù)采用直流恒流供電，理論上不存在100 Hz（120 Hz）頻閃問題，更不會出現(xiàn)文獻[2]提到的因為LED伏安特性的開啟電壓引發(fā)的頻閃（AC LED除外）。LED頻閃主要源自直流電上的紋波。紋波越大，頻閃現(xiàn)象越明顯。

作為照明光源，頻閃可能導(dǎo)致頭痛、頭暈、惡心、視覺紊亂以及視力下降等生理問題，嚴重者可導(dǎo)致光敏性癲癇或閃爍光誘導(dǎo)的癲癇。在某些應(yīng)用場合，對光源的穩(wěn)定性要求極高，不允許出現(xiàn)頻閃現(xiàn)象，如作為校準光源的發(fā)光面板、太陽光模擬器等。

隨著LED照明的不斷普及，越來越多的使用者關(guān)注頻閃問題。因此，研究和應(yīng)用LED消除頻閃技術(shù)具有重大的現(xiàn)實意義。

1 衡量頻閃程度的指標

常用的衡量光源頻閃程度的指標有兩個，分別是頻閃百分比和頻閃指數(shù)。

根據(jù)照明工程協(xié)會IES（Illuminating Engineering Society）制訂的標準ANSI/IES RP-16-10《照明工程術(shù)語和定義》[3]，頻閃百分比（也叫做波動深度）等于一個開關(guān)周期內(nèi)最大光輸出與最小光輸出之差除以它們之和，即：

其中A為一個開關(guān)周期內(nèi)最大光輸出（光通量），B為一個開關(guān)周期內(nèi)最小光輸出（光通量），參考圖1。顯然，這個指標僅僅從光源的發(fā)光能力或發(fā)光強度的波動定義頻閃的程度，并未考慮光源的變化曲線和時間積累的因素。

圖1 頻閃百分比和頻閃指數(shù)示意圖

頻閃指數(shù)等于一個開關(guān)周期內(nèi)超過平均光輸出的量除以全部光輸出，如圖1所示[3]。

其中Area1為一個開關(guān)周期內(nèi)超過平均光輸出的量，Area2為一個開關(guān)周期內(nèi)低于平均光輸出的量。

由此可見，頻閃指數(shù)綜合了頻閃百分比、光波形以及占空比因素，是對頻閃現(xiàn)象的綜合評價。

LED在正常和安全工作條件下，在很大的范圍內(nèi)其正向電流與光通量存在正比關(guān)系。因此，頻閃百分比（波動深度）也可表示為[1]：

其中，imax為一個周期內(nèi)LED電流的最大值，imin為最小值。顯然，Δi=imax-imin對應(yīng)驅(qū)動電源輸出直流上的紋波大小。

2 常用的消除頻閃技術(shù)

總體而言，LED光源的頻閃與供電電源、光源自身的特點以及照明設(shè)計等因素有關(guān)，但根本原因源于驅(qū)動電源在直流基礎(chǔ)上的波動（紋波）。文獻[4]列舉了目前消除LED光源頻閃的幾個方式（未包括消除頻閃的專用IC）。

2.1 加大驅(qū)動電源的輸出電容

在輸出端接入大容量電解電容，可以平滑電壓紋波。根據(jù)電容的定義，輸出紋波電壓Vripple與輸出電容Co的關(guān)系為：

由此可見，加大輸出電容值，可以減小紋波電壓。但是，電解電容不僅會制約LED燈具的壽命，而且由于存在較大的ESR，片面加大輸出電容未必能取得預(yù)期效果。

2.2 采用“填谷式被動PFC“方案

主流的方案是采用填谷式PFC方案，可以增加整流二極管的導(dǎo)通角，改善電流畸變，減小諧波電流，提高功因。但是，這種無源PFC的兩顆填谷電容處于不完全濾波狀態(tài)，導(dǎo)致直流輸出電壓紋波較大，濾波電壓偏低，對降低頻閃效果不大。此外，這種方案電路成本高，無法適應(yīng)目前LED照明規(guī)模化發(fā)展的需要。

2.3 采用兩級電源變換方案

采用AC/DC變換（Buck/Boost或反激/正激等拓撲）后再加一級DC/DC（通常是LDO），可以明顯降低紋波的幅度，但會明顯增加系統(tǒng)成本。

3 LED的3種驅(qū)動方式

從發(fā)展歷史看，LED驅(qū)動方式先后出現(xiàn)了恒壓、AC LED和恒流3種基本的驅(qū)動方式。

早期的LED大多采用恒壓驅(qū)動，原理如圖2所示。電阻R1和R2對輸出電壓Uo進行采樣[5]，采樣電壓應(yīng)等于控制芯片內(nèi)部的基準電壓UREF，否則將引發(fā)負反饋，最終使得UFB=UREE，輸出電壓保持恒定，即穩(wěn)壓的機理。

雖然流過LED的電流與其兩端電壓有直接關(guān)系，但這種關(guān)系不是唯一的。最明顯的例子是發(fā)熱的影響。當LED結(jié)溫升高的時候，伏安特性曲線整體左移，如圖3所示[5]。此時，如果流過LED電流不變，則LED兩端的電壓降低；反之，如果維持電壓不變（恒壓驅(qū)動），則LED電流必然升高，發(fā)熱加劇，加速LED壽命終結(jié)。

同時，從圖3可以看到，LED伏安特性曲線比較陡峭，少許的UF變化將引起IF的劇烈變化，即頻閃的根源。由此可見，恒壓驅(qū)動對LED來說存在很多弊端，也是現(xiàn)代LED大多采用恒流驅(qū)動的原因。

AC LED驅(qū)動方式是利用LED的單向?qū)щ娦约孀稣鞴軜?gòu)成整流橋，用交流市電直接驅(qū)動。這種方式源自2005年韓國首爾半導(dǎo)體公司推出的AC LED專利產(chǎn)品Acriche。顯然，這種方式存在明顯的頻閃現(xiàn)象，且效率、穩(wěn)定性和安全性都受限[5]。

圖2 恒壓電路和恒流原理示意圖

圖3 LED伏安特性與結(jié)溫的關(guān)系

將圖2（a）的R1改為負載（LED燈串），將R2的阻值縮小變成Rs，圖2（a）的穩(wěn)壓電路就變成圖2（b）的恒流電路，控制芯片的負反饋使得UFB等于內(nèi)部的基準電壓UREF，流過負載的電流保持恒定，便是穩(wěn)流的機理。

從式（3）可以看到，消除LED光源頻閃的關(guān)鍵是消除或減小LED的“電流”波動，即做好“恒流”供電。從圖2（b）可以看到，要做到恒流，關(guān)鍵點并非是穩(wěn)定驅(qū)動電源的輸出電壓或者LED兩端的電壓，而是要建立LED電流的采樣和負反饋機制，使得LED電流出現(xiàn)波動（紋波）的時候，通過負反饋作用迅速穩(wěn)定電流，消除紋波。

4 兩種LED消除頻閃電路

圖4是一種用分立元件組建的LED消頻閃電路[6]。當MOS管漏極電壓超過DZ2的擊穿電壓時，經(jīng)DZ1和DZ2給電容C1充電，提供并維持VGS，使MOS管工作在非飽和區(qū)。一旦MOS管VDS增加，則VGS隨著增加，使得MOS管電流ID也增加，將VDS拉低形成負反饋，從而維持VGS和ID的電流恒定，而VDS在一定范圍內(nèi)波動，實現(xiàn)消除電流紋波、消除LED頻閃的效果。

圖4 一種用分立元件組建的LED消頻閃電路

對比圖2（b）和圖4可以看到，圖4中的Q1構(gòu)成一個可變電阻，通過ZD1、ZD2、R1和C2的反饋作用，利用Q1本身的特性，穩(wěn)定Q1的電流。這與圖2（b）的穩(wěn)流原理相同。

由于消除頻閃的訴求高漲，許多IC設(shè)計公司推出了消頻閃專用IC。市場主推的有杰華特公司的JW12XX系列、Zentel公司的ZA8505/8518系列、矽力杰（Silergy）的SY5862、英飛特INV3121/3123/1221以及芯派（Semipower）公司的SW7210等。

圖5是采用臺灣力積（Zentel）公司紋波抑制芯片ZA8518A構(gòu)成的消頻閃電路方案。市電經(jīng)過AC/DC變換和PFC電路后，得到60 V的直流電壓；把LED串接到該電壓和ZA8518A輸出端，該輸出端內(nèi)置有電流調(diào)節(jié)器提供恒定的輸出電流；恒流控制方式是通過輸出端對輸出電流進行檢測并進行反饋控制，能有效消除各種LED紋波，且外圍電路非常簡單，成本低廉。

可以預(yù)期，這類采用恒流控制的集成芯片將成為LED光源消頻閃技術(shù)的主流方案。

5 結(jié) 論

近年來，在政策面、技術(shù)面以及經(jīng)濟性（成本持續(xù)降低）等因素的支撐下，LED全面替代傳統(tǒng)光源成為各種照明的首選光源。在這個背景下，社會大眾無頻閃照明的呼聲及要求越來越高，消除LED頻閃技術(shù)不斷發(fā)展和成熟。本文從頻閃的基礎(chǔ)認知和LED的3種基礎(chǔ)驅(qū)動方式出發(fā)，指出LED光源頻閃的根源來自驅(qū)動電源，而消除LED光源頻閃的關(guān)鍵是消除或減小LED的“電流”波動，即做好“恒流”供電。要真正做到恒流供電，需建立LED電流的采樣和負反饋機制，通過負反饋作用迅速穩(wěn)定電流，消除紋波。文章列舉了兩個應(yīng)用電路，對此論點進行佐證，認為采用恒流控制的集成芯片將成為LED光源消頻閃技術(shù)的主流方案。

圖5 采用ZA8518A的消頻閃電路